Proteínas de Membrana

Bioquímica de Macromoléculas
Monografía: Proteínas de membrana.
Principios de su arquitectura
Profesor: Mario Ermácora
Alumna: Alejandra Cecilia Schoijet
Segundo Cuatrimestre 2001
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Presencia de residuos de aminoácidos cargados positivamente como
determinantes importantes de la topología de las proteínas de membrana (1)
Las proteínas de membrana no sólo se deben localizar en el compartimento correcto
sino que deben contener la información necesaria en su secuencia para determinar su
topología. Una serie de trabajos realizados sugieren que regiones cargadas
positivamente que se encuentran flanqueando segmentos hidrofóbicos son
determinantes en la topología de las proteínas de membrana.
En bacterias, las proteínas integrales de membrana se pueden dividir en tres clases
según su orientación: (2) (Fig. 1)
 proteínas bitópicas, las cuales atraviesan una vez la membrana con su extremo Ct
expuesto al citoplasma (tipo I) o al periplasma (tipo II).
 proteínas oligotópicas, las cuales atraviesan dos veces la membrana con sus
extremos Ct y Nt orientados hacia el mismo lado de la membrana.
 proteínas politópicas, las cuales pueden atravesar la membrana alrededor de 12
veces y presentan estructuras más complejas.
Segmentos de integración:
Está ampliamente aceptado el concepto de que la información para la topología de las
proteínas de membrana está localizada dentro de dominios hidrofóbicos en la secuencia
polipeptídica. Estos segmentos se pueden dividir en cuatro grupos: (Fig. 2)
1) péptidos leader amino terminales, los cuales son necesarios para la dirección e
inserción de las proteínas en la membrana. Estos inician la translocación y luego son
clivados por una peptidasa.
2) señales que no son clivadas, localizadas en el extremo Nt o en posiciones internas de
la proteína.
3) secuencias stop que finalizan la transolcación de la cadena polipeptídica a través de
la membrana.
4) dominios de inserción, formados por dos regiones hidrofóbicas separadas por una
región polar, los cuales se insertan espontáneamente en la membrana sin la
necesidad aparente de que otras proteínas medien dicha inserción.
Fig. 1. Posibles orientaciones de las proteínas
Fig. 2. Segmentos de integración
dentro de las proteínas de membrana
Influencia de residuos cargados positivamente en la orientación de las proteínas de
membrana:
Existen fuertes evidencias que sugieren que las cargas positivas tienen un papel
importante en la orientación de las proteínas de membrana. Estudios de comparación de
secuencias de varios segmentos de integración constituyen la primer evidencia. (3)
Los residuos básicos están localizados típicamente en el extremo Nt de los péptidos
leader y raramente se encuentran en el extremo Ct. Esta diferencia de carga en los
péptidos leader también se observa en las señales que no son clivadas, especialmente si
están localizadas en el extremo Nt de la proteína.
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Diversos estudios demostraron que la introducción de cargas positivas en el extremo Ct
de los péptidos leader tiene efectos deletéreos en la inserción de las proteínas, lo cual
sugiere que la orientación de los dominios hidrofóficos dentro de la membrana puede
estar influenciada por los residuos básicos flanqueantes. Las cargas positivas que
preceden un segmento hidrofóbico tienden a orientar dicho segmento con su extremo Ct
expuesto hacia el periplasma.
Proteínas de membrana bitópicas: Muchas de estas proteínas, como por ejemplo la
proteína de cubierta del fago M13, son sintetizadas con una secuencia leader que luego
es clivada y se orientan en la membrana con su extremo Ct hacia el citoplasma y el Nt
hacia el periplasma. Ciertos trabajos sobre dicha proteína de M13 sugieren que las
regiones Ct y Nt se unen electrostáticamente a las cabezas de los lípidos en la
membrana. Esta unión permite a la proteína insertarse con su segmento hidrofóbico en
el interior de la misma. (4)
Otras proteínas de membrana bitópicas no tienen un péptido leader, por ejemplo la
proteína de cubierta de Pf3, la cual también presenta su extremo Ct hacia el citoplasma
y el Nt hacia el periplasma. Al igual que la proteína de cubierta de M13, la proteína de
Pf3 también requiere un gradiente electroquímico pero no el producto del gen sec para
su inserción en la membrana.
Ambas proteínas, a pesar de que una tiene un péptido leader y la otra no, guardan
similitudes estructurales: un corto extremo Nt ácido extracitoplasmático, un segmento
no polar de aproximadamente 20 residuos y un extremo Ct terminal básico hacia la
región citoplasmática. Se ha postulado que los residuos cargados positivamente que
siguen a al segmento apolar pueden ser los determinantes de su topología y promover la
inserción en la membrana de dicho segmento en su correcta orientación.
Proteínas de membrana oligotópicas: La proteína leader peptidasa, la cual contiene tres
segmentos apolares, es uno de los mejores ejemplos estudiados de este tipo de proteínas.
(Fig. 3). La translocación del largo dominio Ct requiere de proteínas sec y del potencial
electroquímico de membrana.
Se ha demostrado que el segundo dominio apolar es esencial para la translocación de
dicho dominio Ct. Como en las proteínas de M13 y Pf3, las cargas positivas proceden
esta región apolar. Aunque no se sabe con certeza qué factores determinan la
orientación de esta región, se ha encontrado que la inserción de cargas positivas delante
de este dominio apolar pueden revertir su orientación dentro de la membrana y convertir
dicha región en una señal de exportación. Sin embargo, esto sólo ocurre si la secuencia
polar citoplasmática es deleccionada. Esta región polar, contiene 10 residuos básicos y 5
ácidos y se ha encontrado que cuando dos ó más de estos residuos cargados
positivamente son removidos, el subsiguiente dominio apolar puede actuar como una
señal de exportación. En conclusión, esta región, denominada “segmento venenoso de
translocación”, puede ser importante en la inserción de las proteínas y en prevenir que
regiones hidrofóficas puedan funcionar como señales de exportación. (5)
Proteínas de membrana politópicas: En este caso, para estudiar la proteína
transportadora de maltosa (MalF) se utilizó un método basado en el hecho de que la
fusión de la proteína fosfatasa alcalina (phoA) a dominios periplásmicos de proteínas de
membrana resulta en una alta actividad de dicha enzima, y la fusión a loops
citoplasmáticos resulta en una baja actividad enzimática. Basándose en la secuencia de
aminoácidos, se predijo que esta proteína tenía ocho segmentos transmembranales con
una topología de acuerdo a la mostrada en la figura 3. Como se esperaba, las fusiones de
3
los segmentos 1, 3, 5 y 7 mostraron una elevada actividad fosfatasa indicando que la
phoA se exportaba al periplasma. Por otro lado, con algunas excepciones, las
respectivas fusiones luego de los dominios apolares 2, 4, 6 y 8 resultaron en una baja
actividad fosfatasa, sugiriendo que la phoA se encontraba localizada en el citoplasma.
La localización de la mitad de las construcciones fusionadas a phoA que permanecieron
en el citoplasma requerían aminoácidos básicos dentro del loop citoplasmático del
polipéptido MalF. Estos resultados representan un fuerte soporte para la idea de que
aminoácidos cargados positivamente tienen un rol importante en la orientación de los
segmentos hidofóbicos.
Fig. 3. Topología de la proteína leader peptidasa y de la proteína transportadora de maltosa.
Distribución de las cargas positivas de proteínas de membrana en bacterias: (6)
En general hay una predominancia de residuos cargados positivamente en el lado
citoplasmático de la membrana: los residuos de Lys y Arg son aproximadamente cuatro
veces más abundantes en los loops citoplasmáticos que en los periplásmicos.
Una explicación de la importancia de dichos residuos básicos adyacentes a los
segmentos apolares es que éstos interactúan con las cabezas ácidos de los lípidos de la
membrana. Por ende, es dificultoso para estos residuos penetrar la membrana. Esta
interacción electrostática puede promover la inserción de los dominios hidrofóbicos
dentro de la membrana.
Una segunda posibilidad es que los residuos cargados positivamente pueden orientarse
por sí mismos hacia el citosol ya que el potencial electroquímico es más negativo en el
lado citosólico de la membrana de E. coli.
Conclusiones:
Diversos estudios indican que las cargas positivas, junto con los dominios hidrofóbicos,
son importantes determinantes en la topología de las proteínas de membrana. La
orientación del primer segmento transmembrana de estas proteínas está influenciado por
los residuos flanqueantes cargados positivamente: un dominio hidrofóbico que posee
residuos cargados positivamente en su extremo amino terminal se orientará en la
membrana con su extremo carboxilo terminal hacia el periplasma, y un segmento
hidrofóbico con residuos cargados positivamente en su extremo carboxilo terminal se
ubicará de manera inversa.
En eucariotas, la diferencia de cargas entre los dos extremos de la primera secuencia de
integración de las proteínas de membrana también parece ser un factor crucial en la
topología de las mismas.
Por último, la caracterización de los residuos flanqueantes a los segmentos hidrofóbicos
ayudaría a progresar en la predicción de la longitud precisa de la región transmembranal
y su posición. Incluso, este tipo de información permitiría optimizar predicciones en lo
que respecta a interacciones hélice-hélice inter e intramoleculares de las proteínas en la
membrana lipídica.
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Referencias:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
Ross E. Dalbey (1990). Trends Biochem Sci 15, 253-257
Wickner W. And Lodish H. F. (1998). Science 230, 400-407
Von Heijne, G. and Gavel, Y. (1989) Eur. J. Biochem. 174, 671-678
Dalbey, R. E. and Wickner, W (1990) Science 235, 783-787
Laws, J. K. And Dalbey, R. E (1989) EMBO J. 8, 2095-2099
Von Heijne, G (1997) EMBO J. 5, 3021-3027
Bibliografía:
1) Thomas E. Creighton, Proteins, Structures and Molecular Properties, 2da ed, W. H.
Freeman and Company. New York
2) Lehninger A.L., Nelson D.L. y Cox M.M., Principios de Bioquímica, 2da ed.,
Editorial Omega.
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